Modelbruget: The COP15 Farm Tiltag til fremme af en klimaneutral fødevareproduktion

Transkript

1 1 Aarhus Universitet, Det Jordbrugsvidenskabelige Fakultet, Institut for Jordbrugsproduktion og Miljø 31. juli 2009 Notat vedrørende: Modelbruget: The COP15 Farm Tiltag til fremme af en klimaneutral fødevareproduktion Troels Kristensen, John Hermansen, Uffe Jørgensen, Ib Sillebak Kristensen 1 Sammendrag og konklusion Med udgangspunkt COP15 Farm alternativ 2 - defineret i baggrundsnotatet af 23/6-09 er først redegjort mere detaljeret for fødevareindtaget, den tilhørende primærproduktion og emissionen af klimagasser herfra som er estimeret til 1034 ton CO 2 eq. inkl. forarbejdning og de importerede fødevarer. For at opnå en klimaneutral fødevareproduktion er det beregnet at der ud over arealet til fødevareproduktion på 168 ha, skal anvendes 56 ha med energiafgrøder. Energiafgrøderne anvendes sammen med husdyrgødning, husholdningsaffald og grønmasse fra 46 ha med efterafgrøde til biogasproduktion svarende til 434 ton fortrængt CO 2 eq. og til biobrændsel svarende 483 ton fortrængt CO 2 eq. Herudover er det beregnet at der ved indførelse af bedre teknologi kan spares 19 ton CO 2 eq. i henholdsvis markdriften og fra drivhuset. Desuden vil biogas betyde en reduktion i emissionen fra gødningen på 40 ton CO 2 eq. 2. Definition af opgaven I baggrundsnotat af 23/6-09 er der defineret en økologisk bedrift COP15 Farmen som kan producere 80% af fødevarebehovet til personer i 28 dage, svarende til 770 voksne personer i et år, med en typisk dansk fødevaresammensætning. Ved at indføre biogas produktion og en reduktion af oksekødsforbruget med 1/3 til fordel for en tilsvarende forøgelse af forbruget af grøntsager er det er vurderet at klimapåvirkningen fra fødevareproduktionen på denne bedrift kan reduceres markant Fødevareministeriet efterspørger i brev af 1/7-09, hvordan COP 15 Farmen kan gøres klimaneutral ved bl.a. at udnytte nye teknologiske løsninger og ændret arealanvendelse. I nærværende notat er vurderet, hvordan primærproduktionen af fødevarer på COP 15 farmen alternativ 2 den tilpassede udgave med biogas og et reduceret oksekødsforbrug - kan gennemføres på en sådan måde at energiforbrug og emissioner på bedriften reduceres mest muligt og hvordan emissionen fra fødevareproduktionen kan kompenseres af energiproduktion baseret på energiafgrøder.

2 2 3. Metoder Der er taget udgangspunkt den i tilpassede COP15 Farm i baggrundsnotatet af 23/6-09 (Opdateret version 31. Juli). Der er først redegjort mere detaljeret for fødevareindtaget, den tilhørende primærproduktion og emissionen af klimagasser herfra. Herefter er der redegjort for potentielle tiltag til reduktion af emissionen fra primærproduktionen og det er vurderet hvor stort energiforbrug der medgår til forarbejdningen og distribution. For at opnå en klimaneutral produktionsenhed er det beregnet hvor store arealer der skal inddrages med energiafgrøder, når energiafgrødernes fortrængning af fossilt energi er modregnet emissionen fra fødevareproduktionen i CO 2 eq. 4. Fødevareindtaget Det daglige indtag af fødevarer pr person fremgår af tabel 1. Tabel 1. Dagligt indtag af fødevare. Indtag, g pr. person pr. dag Fødevaregrupper fra COP15 Farmen 1 Mælk og mælkeprodukter 323 Indtag, MJ pr. person pr. dag % af energi 1, Ost og osteprodukter 33 0,45 5 3a Korn og mel 72 2, b Brød Grønsager, i alt 248 0,29 3 heraf gulerødder 111 heraf ærter 12 heraf kål 27 heraf rødbede 12 heraf løg 12 heraf salat 52 heraf tomat 12 heraf agurk 10 5 Frugt (æble) 204 0,51 6 6a Oksekød 27 6b Svinekød 68 0, Fjerkrækød 23 9 Æg og æggeprodukter 17 0, Fedtstoffer og fede produkter 25 0, Kartofler 102 0,37 4 Andre fødevare 1,68 20 I alt 8,41 MJ 100

3 3 I opstillingen af COP15 Farmen er det antaget at 80% af det samlede fødevareindtag (MJ basis) dækkes af produkter fra bedriften, mens de resterende 20 % dækkes af produkter der ikke kan produceres i Danmark, herunder nydelsesmidler som kaffe. 5. Bedriftens produktion og arealanvendelse Bedriftens husdyrproduktion og tilhørende areal til foderproduktion samt konsum afgrøder fremgår af tabel 2, herudover er angivet arealet med afgrøder til biogasproduktionen. Disse arealer er afstemt efter bedriftens samlede produktion, herunder indpasning i sædskiftet og mængden af husdyrgødning tilrådighed.

4 4 Tabel 2 COP 15-farmens husdyrproduktion og tilhørende areal til foderproduktion og konsum afgrøder til dækning af fødevarebehovet og integreret biogasproduktion Husdyrproduktion Antal og enhedsudbytte Årlig produktion Kvæg 34 malkekøer (8250 kg mælk) med opdræt og stude 280 ton mælk 20,4 ton kød Svin 22 søer med tilhørende slagtesvin 43,0 ton kød Kyllinger 5000 slagtekyllinger 14 ton kød Høns 500 æglæggere 7,9 ton æg 0,85 ton kød Arealbehov til foder og konsum Kløvergræs, foder 46,5 ha à FE FE Kløvergræs, grise Foderkorn 5,0 ha à FE 50,3 ha à FE FE FE Brødkorn 22,2 ha à kg kg Vinterraps 13,2 ha à kg kg Ærter 19,6 ha à kg kg Kartofler 3,8 ha à 14,3 ton 54,6 ton Frilandsgrønsager 3.8 ha fordelt således 111 ton - Ærter 1,54 ha à 4 ton - Gulerødder 0,93 ha à 60 ton - Salat 0,85 ha à 30 ton - Kål 0,23 ha à 60 ton - Løg 0,15 ha à 40 ton - Rødbeder 0,10 ha à 60 ton Frugt (æbler) 3,0 ha à 35 ton 105 ton Samlet areal til fødevareproduktion 167,4 ha Drivhus (tomat, agurk) 11 ton Areal til biogas Kløvergræs, afpudsning grisefold Kløvergræs, biogas Efterafgrøde 5,0 ha à 3800 kg ts 12,6 ha à 9500 kg ts 46 ha à 450 kg ts 19 ton 120 ton 21 ton

5 5 6. Emissionen af drivhusgasser Baseret på principperne opstillet af IPCC, med de koefficienter som er knyttet til danske produktionsforhold, er der beregnet emissioner af metan, lattergas og CO 2. Resultaterne i tabel 3 fra viser, at der samlet udledes kg CO 2 eq årligt fra bedriften indregnet forbruget til hjælpestoffer, her primært energi til driften, idet der stort set ikke indkøbes andre hjælpestoffer. Ses på fordelingen mellem drivhusgasserne udgør metan 34%, lattergas 41%, mens resten er CO 2 emissionen knyttet til fossilt energi anvendt til driften og de faste anlæg. En betydende post heraf er forbruget til opvarmning af drivhuset som udgør 15% af det samlede forbrug af fossil energi. Udover emissionen i tabel 3 er der er energiforbrug til forarbejdning af råvarerne, som er estimeret til 64 ton CO 2 eq (appendix A1). En potentiel reduktion i emissionen pga. bioforgasning er der redegjort for under reducerende tiltag (7.1) Tabel 3 Estimeret årlig udledning af drivhusgasser for bedriften (defineret i tabel 2), ab gaard. Total for bedriften CO 2 eq (1000 kg) Fordeling af CO 2 eq, % Metan kg CH 4 34 Fordøjelse: kvæg svin <1 Gødning: kvæg svin Lattergas kg N 2 O-N 41 gødning afgrøde udvaskning via NH CO 2 kg CO 2 (1000) 25 markdrift stalddrift faste anlæg drivhus I alt 763

6 6 7. Reducerende tiltag Med udgangspunkt i COP15 Farmen er det beregnet hvilken kvantitativ effekt forskellige tiltag vil have dels på emissionen fra bedriften (7.1) dels via modregning af produktion af bioenergi i bedriftens emission (7.2) 7.1 Primærbedriften Flertallet af de aktuelle driftsmæssige tiltag til reduktion af emissionen som er analyseret af Olesen, (2008) er allerede implementeret på COP15 Farmen. Herudover vil tiltag som øget fedttildeling til malkekøerne og bedre N udnyttelse hos husdyrene ikke være forenelige med en økologisk produktion baseret på fodring med afgrøder af økologisk oprindelse og en høj andel af græs i foderrationen. Ligesom reduceret jordbehandling vil øge ukrudtproblemerne og dermed ikke være praktisk muligt i et økologisk sædskifte. Den høje andel af kløvergræs og efterafgrøde på COP15 Farmen betyder ligeledes at der ikke kan laves tiltag der øger kulstoflagringen i jorden. Den generelle teknologiske udvikling omkring øget energieffektivitet må forventes at kunne reducere forbruget af fossil energi til traktorer og indendørs mekaniseringen. Det er antaget at kunne bidrage med en reduktion på 19 ton CO 2 eq. Når husdyrgødningen anvendes til biogasproduktion før udbringning på marken, vil emissionen af metan og lattergas fra gødningen blive reduceret med ca. 40% (fra Mikkelsen et al., 2005), hvilket for COP15 Farmen betyder en reduktion på ca. 40 ton CO 2 eq, idet 54% af gødningsproduktionen opsamles og dermed kan anvendes til biogas. Som redegjort for i notatet af 23/6 har omfanget af den animalske produktion i forhold til vegetabilsk en markant betydning på emission og arealbehovet til fødevareproduktion. En yderlig vurdering heraf ligger udenfor opgaven defineret i dette notat, men den marginale effekt vil sandsynligvis være markant aftagende ved yderlig reduktion, idet husdyrholdet i nærværende bedrift sikrer at der kan indgå kløvergræs på 1/3 af arealet og belægningen med husdyr på 0.5 DE pr ha sikrer at næringsstofferne kan fordeles og udnyttes effektivt. 7.2 Energiproduktion Som redegjort for i notatet af 23/6 vil anvendelse af husholdningsaffald, slagteriaffald, husdyrgødning og biomasse fra bedriften, som defineret i tabel 2, bidrage med en energiproduktion, omregnet til el, på samlet kwh, svarende til 416 ton CO 2 eq. Som angivet i tabel 4 vil den væsentligste del komme fra husdyrgødning og biomasse fra kløvergræs.

7 7 Vedvarende græsmarker og engarealer udgør et ressourcegrundlag for biomasse til anvendelse i biogasanlæg (Olesen, 2008). Denne udnyttelse vil ikke alene kunne bidrage til energiproduktion, men også medvirke til naturpleje på disse arealer. Ud fra gennemsnittet i Danmark (Dansk Landbrug i tal, 2007) er det antaget at der til COP 15 Farmen er areal med vedvarende græs er på 13 ha, svarende til 7% af arealet i omdrift. Som redegjort for i Appendiks 3 vurderes effekten af høst af enggræs til biogas at være en reduktion i drivhusgasemissionerne på ca. 1,4 ton CO 2 eq per ha sammenlignet med fossil energi. Ved piledyrkning ophobes der kulstof i jorden som følge af fraværet af jordbearbejdning og den store biomasseproduktion, og dette bidrager sammen med fortrængning af fossil energi til en reduktion i drivhusgasemissionen på ca. 16 tons CO 2 eq per ha. Forudsætningen herfor er at der sker en recirkulering af næringsstofferne fra humane fækalier og urin som udnyttes i pileproduktionen. Som redegjort for i Appendiks A4 vil de 770 årspersoner, som COP15 farmen kan producere fødevarer til, totalt levere gødning til ca. 30 ha med pil.

8 8 8. Samlet oversigt Med den angivne fødevareproduktion og den i notat af 23/6 angivne teknologi, blev det vurderet at bedriften gav anledning til en udledning af drivhusgasser på 763 ton. Hertil kommer bidraget fra forarbejning på 64 ton og et bidrag fra de 20% af fødevarerne som importeret. Her er regnet med at emissionen pr enhed er den samme som fra COP 15 Farmen incl. forarbejning, hvilket giver en forøgelse af emissionen med 207 ton CO 2 eq. Samlet er der således en emission på 1034 ton CO 2 eq., svarende til 3692 g pr dagsration. Tabel 4. Oversigt over udledning af CO 2 eq forårsaget af fødevareforbruget (770 årspersoner) og tiltag til modregning heraf dels i primærdriften dels ved etablering af bioenergi produktion. Ton CO 2 eq Bemærkninger Brutto udledning bedriften 763 Jvf notat af 23/6 Forarbejdning 64 Appendix 1 Importerede fødevarer % Samlet før tiltag 1034 Reducerede tiltag primærdriften -reduceret emission som følge af biogas 40 40% af N 2 O og CH 4 fra gødning -reduceret energiforbrug ved bedste teknologi 19 15% på markdrift og 10% på stalddrift -reduceret energiforbrug i drivhus 19 Appendix 2 Reducerede tiltag baseret på biogas - biogas fra husdyrgødning 155 Jvf notat af 23/6 -biogas fra køkken og slagteriaffald 38 Jvf notat af 23/6 -biogas fra efterafgrøder o.lign fra foder og konsumafgrøder 55 Jvf notat af 23/6 -biogas fra energiafgrøde, kløvergræs 168 Jvf notat af 23/6 -biogas fra vedv. græsareal (13 ha) 18 Appendix 3 Reducerede tiltag med biobrændsel -biobrændsel fra energiafgrøde, pil (30 ha) 483 Appendix 4 Reducerende tiltag i alt 995

9 9 I tabel 4 er vist hvordan denne udledning dels kan nedsættes, dels kan kompenseres ved produktion af bioenergi på bedriften og ved inddragelse af yderlig areal til biobrændsel produktion baseret på recirkulering af næringsstoffer fra humane fækalier og urin. Herved bliver fødevareforbruget klimaneutralt, idet den samlede udledning på 1034 ton CO 2 eq modregnes reducerende tiltag, enten ved egentlig reduktion i udledning eller fortrængning af fossilt energi, på samlet 995 ton CO 2 eq. Som det fremgår, er der kun begrænsede muligheder for reduktion i selve primærdriften, hvorfor der må introduceres nye teknologier som biogas eller ske en udvidelse af arealet til produktion af biobrændsel. I tabel 5 er afsluttende vist den samlede arealanvendelse og husdyrhold til sikring af en klimaneutral produktion af fødeindtaget til 770 årspersoner, når der forudsættes at 20% af fødevareindtaget produceres udenfor bedriften, men bedriften sikrer at emissionen herfra neutraliseres via fortrængning af fossil energi. Det samlede dyrkede areal bliver på 223 ha, svarende til 8,0 m 2 per dagsration. Overordnet skal der anvendes 135 ha foderafgrøder, 33 ha til konsumafgrøder og 56 ha til energiafgrøder, men dele af afgrødeproduktionen vil anvendes flere kategorier, som f.eks. olie fra raps til konsum og rapskager til foder.

10 10 Tabel 5 Arealanvendelse og husdyrhold til klimaneutral produktion af fødevarer 1) til 770 års personer. Planteproduktion Sædskifte Foderafgrøder ha Kløvergræs 51,5 Korn 50,3 Bælgsæd 32,8 Konsumafgrøder Korn 22,2 Grøntsager & Kartofler 7,6 Frugt 3,0 Energiafgrøde Kløvergræs 12,6 Vedvarende arealer Energiafgrøder Græs 13,0 Pil 30,0 Samlet udnyttet areal 223,0 Drivhus 315 m 3 Husdyrhold Malkekøer med tilhørende opdræt og stude Søer med tilhørende slagtesvin Høns Slagtekyllinger 1) Forudsat 20% af fødeindtag importeres Antal 34 årsdyr 22 årsdyr 500 årsdyr 5000 produceret årligt

11 11 Appendix A1. Energiforbrug til forarbejdning Der er beregnet et energiforbrug til forarbejdning på 227 g pr portion, svarende til 64 ton CO 2 eq for bedriften. Beregningerne er baseret på nedenstående energiforbrug i kg CO 2 pr kg konsumeret produkt udledt fra Fødevaregrupper Energiforbrug til forarbejdning, kg CO 2 eq pr kg produkt Mælk og mælkeprodukter 0,12 Ost og osteprodukter 1,10 Korn og mel 0,047 Brød 0,109 Grøntsager og frugt 0,06 Kød 0,70 Fedtstoffer og fede produkter 0,70 Kartofler 0,06 A2. Energiforbrug i drivhus Ved traditionel indretning er der estimeret et energiforbrug på 4,7 kg CO 2 eq pr kg tomat og agurk konsumeret, svarende til en drivhusgasudledning på 29 ton CO 2 eq for bedriften. Ved indførelse af intelligent dynamisk klimastyring og forbedret isolering kan energiforbruges reduceres med 40% (Andersson, 2005). Ved etablering af varmegenindvinding (med bufferanlæg i vandbassiner) forventes energiforbruget yderligere at kunne reduceres med 40%. Sammenfattende betyder det at CO 2 udledningen reduceres til (0.6x0.6) 36 % af oprindelig forudsat, svarende til en udledning på 10 ton eller en besparelse på 19 ton. A3. Energiproduktion fra vedvarende græsarealer Vedvarende græsmarker og engarealer udgør et ressourcegrundlag for biomasse til anvendelse i biogasanlæg (Olesen, 2008). Denne udnyttelse vil ikke alene kunne bidrage til energiproduktion, men også medvirke til naturpleje på disse arealer. Endvidere vil udnyttelse af græs fra vedvarende engarealer i biogasanlæg formentlig på længere sigt kunne fjerne næringsstoffer fra ådalene og dermed bidrage til et renere vandmiljø.

12 12 Ekstensive lavbundsarealer kan variere meget i næringsrigdom og dermed også i udbytte. På næringsrige enge er således høstet over 4 tons tørstof pr. ha i en længere periode, mens der på gamle slætenge er registreret udbytter på ca. 2,5 tons pr. ha (Jørgensen et al., 2008). Hvis der kan accepteres en let gødskning af arealerne med særligt begrænsende næringsstoffer, kan udbytterne sandsynligvis holdes i den høje ende, således som det er set efter gødskning med K i vinasse på enge ved Fussingø. Her er derfor regnet med et udbytte på 3,5 tons tørstof pr. ha. Der vil være risiko for metanlækage i forbindelse med biogasproduktionen. Denne sættes til 3 % af metanproduktionen. Der vil desuden være energiomkostninger i form af høst og transport af græsset. Det antages, at denne omkostning udgør 10 l diesel per ha. Ved høst af græs til biogas fra ugødede arealer forventes en mindre opbygning eller evt. en større nedbrydning af kulstof i jorden end i den nuværende situation. Det er en kombineret konsekvens af, at mere kulstof fjernes fra systemet, og af at der ikke længere gødes. De samlede konsekvenser af at høste græs på lavbundsjorde er vanskelige at kvantificere, og hvis der sker en omlægning af lavbundsjorde i omdrift til permanent græs, vil der ske en nettoopbygning. Her regnes med at virkemidlet ikke giver anledning til ændringer i jordens kulstofindhold, da de positive og negative effekter formentlig opvejer hinanden. Samlet vurderes effekten af høst af enggræs til biogas at være en reduktion i drivhusgasemissionerne på ca. 1,4 ton CO 2 eq per ha. Tabel Drivhusgasemissioner (ton CO 2 eq per ha) ved udnyttelse af græs fra ekstensive arealer (beregnet fra Olesen, 2008) Metanudslip fra biogasprocessen 0,6 Energiforbrug v. høst 0,03 Substitution af fossil energi -2,0 I alt -1,4 A4. Energiproduktion fra pil. For at opnå maksimal recirkulering og ressourceudnyttelse bør næringsstofferne fra humane fækalier og urin udnyttes på farmen. Med de nuværende regler er det dog ikke tilladt at udsprede slam på økologiske arealer, og der knytter sig problemstillinger om smitterisiko og uønskede organiske stoffer hertil. En alternativ udnyttelse, der også vil bidrage væsentligt til at reducere farmens drivhusgasemission, er at udnytte mekanisk renset spildevand fra COP15-gæsterne til gødskning af energipil, således som det sker flere steder i Sverige,(Börjesson Pal and Berndes, 2006; Mirck et al., 2005). Herved undgås smitterisiko ved udspredning i fødevareafgrøder. Når den biologiske rensning undlades inden udspredning af spildevandet bevares kvælstofressourcen. Hovedparten af næringsstofferne findes i urin (se tabel 1), og hvis den opsamles og opbevares separat er der begrænset smitterisiko fra denne fraktion i modsætning til fækaliefraktionen. De 770 årspersoner

13 13 på COP15 farmen vil totalt levere gødning til ca. 30 ha. Efter afbrænding af pileflisen i et kraftvarmeanlæg kan asken recirkuleres til farmen, således at P og K samt mikromineraler bevares. Kvælstof forsvinder dog som gasser ved afbrændingen. Tabel Næringsstofindhold i human gødning, kg/person/år (Petersen, 1997) N P K Urin 4,3 0,2 1,0 Fækalier 0,7 0,2 0,1 Ved piledyrkning ophobes der kulstof i jorden som følge af fraværet af jordbearbejdning og den store biomasseproduktion, og dette bidrager sammen med fortrængning af fossil energi til en reduktion i drivhusgasemissionen på ca. 16 tons CO 2 eq per ha (tabel 2). Tabel Drivhusgasemissioner (ton CO 2 eq per ha) ved dyrkning af pil (beregnet på basis af Olesen et al., 2001 samt Olesen, 2008) Lattergas 0,6 Energiforbrug v. dyrkning* 0,7 Kulstoflagring i jorden -1,6 Substitution af fossil energi -15,8** I alt -16,1 * Der er antaget samme energiforbrug som ved traditionel dyrkning, idet det antages at CO 2 -besparelsen ved ikke at skulle fremstille handelsgødning opvejes af et energiforbrug til håndtering og spredning af spildevand ** Udbyttet antages 50% større end ved traditionel piledyrkning som følge af vanding med spildevand (Börjesson & Berndes, 2006)

14 14 References Andersson, NE 2005 Nedsættelse af CO2 emission fra væksthuse. Kap 7 og 8 in DJF Rapport Markbrug 113 (red. Olsen, JE) Börjesson P & Berndes G 2006 The prospects for willow plantations for wastewater treatment in Sweden. Biomass & Bioenergy 30, Jørgensen, U, Sørensen, P, Adamsen, AP & Kristensen, IT 2008, Energi fra biomasse - ressourcer og teknologier vurderet i et regionalt perspektiv, DJF Rapport Markbrug 134. Mikkelsen, MH, Gyldenkærne, S, Poulsen, HD, Olesen, JE, Sommer, SG 2005 Opgørelse og beregningsmetode for landbrugets emissioner af ammoniak og drivhusgasser DMU Arbejdsrapport 204 Mirck J, Isebrands J G, Verwijst T and Ledin S 2005 Development of short-rotation willow coppice systems for environmental purposes in Sweden. Biomass and Bioenergy 28, Petersen, J Slam som kilde for organisk stof og næringsstoffer i plantedyrkningen. Tidsskrift for Landøkonomi 184 (1), Olesen, JE Virkemidler til reduktion af drivhusgasser i landbruget. I: Landbrug og Klima. Rapport fra Fødevareministeriet, Olesen, JE, Andersen, J, Jacobsen, B, Hvelplund, T, Jørgensen, U, Schou, J, Graversen, J, Dalgaard, T & Fenhann, J Kvantificering af tre tiltag til reduktion af landbrugets udledning af drivhusgasser, DJF Rapport, Markbrug; 48.

15 15